Wellen und Achsen werden überall dort eingesetzt, wo Bauteile Rotationsbewegungen ausführen müssen. Sie werden aus Rundmaterial oder geschmiedeten Rohlingen hergestellt. Die Werkstoffwahl hängt vom Einsatzzweck ab (siehe unten).
Die Lagerung von Wellen und Achsen wird meistens durch ein Fest- und ein Loslager (Gleitlager/ Wälzlager) realisiert. Nur bei speziellen Konstruktionen werden zwei Festlager eingesetzt. Hierdurch entsteht jedoch eine statisch unbestimmte Lagerung, die nur sehr kompliziert berechnet werden kann.
Bei der Auslegung von Wellen und Achsen wie Durchmesser oder geeigneter Werkstoffauswahl (Festigkeit bezogen auf Biegbeanspruchung oder Torsionsbeanspruchung) helfen einige Formeln und Berechnungsprogramme.
Wellen
Wellen sind rotierende Bauteile, die ein Moment übertragen. Das Moment resultiert aus den Kräften in Umfangsrichtung, wobei eine Torsionsbeanspruchung entsteht. Zusätzlich erfährt die Welle eine meist unvermeidbare Biegewechselbeanspruchung, die durch radiale und achsparallele Kräfte hervorgerufen werden.
Zwischen den Wellen und den mit rotierenden Bauteilen werden meist lösbare form- oder kraftschlüssige Verbindungen hergestellt. Formschlüssige Verbindungen werden hauptsächlich durch Längskeile realisiert. Einige Beispiele sind:
- Passfederverbindungen
- Keilwellenverbindungen
- Zahnwellenverbindungen
- Polygonwellenverbindungen
- Stirnverzahnung
Bei den kraftschlüssigen Verbindungen kommen hauptsächlich Klemmverbindungen in Frage. Des Weiteren können auch Befestigungen von Nabe und Welle mit zusätzlichen Spannelementen (z.B. Ringfedern und Ringfederspannsätze) realisiert werden.
Uwe Koerbitz hat auf seiner Website konstruktionsatlas.de einige sehr nützliche Beispiele über Welle-Nabe-Verbindungen aufgelistet.
Achsen
Achsen werden zur Lagerung rotierender Teile eingesetzt und übertragen kein Drehmoment. Diese werden hauptsächlich durch Kräfte belastet, die ein Biegemoment hervorrufen.
Werkstoffe für Wellen und Achsen
Bei der Werkstoffauswahl muss darauf geachtet werden, welchen Belastungen die Wellen und Achsen ausgesetzt sind. Diese können statisch, dynamisch und wechselnd sein.
Bei normal beanspruchte Wellen und Achsen verwendet man allgemein Baustähle, wie z.B. E295 oder S275JR, aber auch teilweise Einsatz- oder Vergütungsstähle. Diese Bauteile werden hauptsächlich bei Getrieben oder Werkzeugmaschinen verwendet.
Sind die Wellen und Achsen höheren Beanspruchungen ausgesetzt, kommen hauptsächlich legierte Vergütungsstähle in Frage. Als Beispiele sind hier 25CrMo4 oder 42CrMo4 zu nennen. Einsatzgebiete dieser Bauteile sind Motoren und Turbinen oder Kraftfahrzeuge.
Bei der Auswahl eines geeigneten Werkstoffs sollte auch darauf geachtet werden, ob er schweiß- oder schmiedbar ist oder welche Korrosionseigenschaften er besitzt – siehe Tabellenbuch Metall* – Kapitel Werkstofftechnik.